Seuraavassa kuvauksessa on käytetty pohjana CFM56 -moottorin järjestelmiä.
FADEC on ilma-aluksen ja sen moottorin säätö- ja valvontajärjestelmän välinen rajapinta.
FADEC:in keskeinen osa on kahdennettu tai kahdella toisistaan riippumattomalla kanavalla varustettu elektroninen ohjausyksikkö (ECU; Electronic Control Unit) ja sen oheislaitteet. ECU on FADEC:in tietokone ja se sijaitsee tavallisesti moottoritilassa. Molemmilla kanavilla on oma prosessori, muisti, virransyöttö, liitäntäkaapelointi ja osittain omat oheislaitteet.
ECU on CFM-56 moottorin kuvassa oikeassa alareunassa oleva iso harmaa laatikko.
Kahdentamalla järjestelmäkomponentteja saavutetaan tarpeellinen toimintavarmuus. Tällöin yksittäinen elektroninen laitevika ei aiheuta häiriötä moottorin toiminnassa.
ECUn oheislaitteita ovat mittapäät, tunnistimet, anturit, lähettimet, servot ja toimilaitteet. ECU:lla on oma moottorin apulaitevaihteistoon kytketty teholähde.
Seuraava kaavio kuvaa sitä kuinka FADEC-järjestelmä liittyy koneen muihin järjestelmiin, niiden tietokoneisiin ja laskimiin.
FADEC-järjestelmä hoitaa moottorin tehonsäätöön liittyvien toimintojen ajoituksen ja valvonnan ja optimoi samalla moottorin toimintaa. Tyypillisesti FADEC hoitaa seuraavat toiminnot:
Polttoaineen syötön säätö
Tehon säätö
Polttoaineen ruiskutussuuttimien valvonta (BSV)
Polttoaineen paluuventtiilin valvonta (FRV)
Säädettävien vuodatusventtiilien valvonta (VBV)
Ahtimen säädettävien ohjainsiipien valvonta (VSV)
Roottorin aktiivisen välyksen ja käynnistysvuodatuksen valvonta (RACSB)
Korkeapaineturbiinin aktiivinen välyksenvalvonta (HPTACC)
Matalapaineturbiinin aktiivinen välyksenvalvonta (LPTACC)
Automaattinen ja käsikäynnistys
Suihkujarrujen (reverssien) ohjaus
Työntövoiman ulkoisten optimointiparametrien laskenta / valvonta
Moottorin tilanäytöt
Moottorin huoltotietokanta
Moottorin kunnon tilastointi ja valvonta.
Ohjaustoiminnot
ja ECU:n kytkentä säätöjärjestelmään perustuu takaisinkytkettyihin, suljettuihin
säätöpiireihin (”Closed Loop, Feedback”). Kaikki tieto ECU:n sisällä eri
ohjelmien ja prosessoreiden välillä kulkee digitaalisena. Kun tieto siirtyy
ohjauskomentona servolle ja lopulta toimilaitteelle, se muuttuu
analogiasignaaliksi. Samoin antureilta, mittapäiltä, asennon tunnistimilta jne.
tulevat analogiasignaalit muuntuvat digitaalisiksi, jotta ECU:n ohjelmistot
voivat niitä käsitellä.
ECU:n keskusyksikkö valvoo kunkin alajärjestelmän laitteen toiminta-asentoa ja tilaa. ECU määrittää kyseisen alajärjestelmän laitteen palautetiedoista (feedback) todellisen toimintavaiheen. ECU:n säätöprosessi laskee vaaditun ja todellisen toiminta-asennon välisen erotuksen ja muodostaa siitä kyseisen oheislaitteen komentosignaalin. Komento muuntuu D/A-muuntimessa analogiasignaaliksi, joka on tasavirtaulostulo. Sitä käytetään alajärjestelmän laitteen asetusarvona. ECU:ssa on oma säätöprosessi jokaista alajärjestelmän laitetta varten. Säätöprosessi on ohjelmamoduuli, joka käsittelee kaikki kyseisen laitteen ohjauskomennot ja palautesignaalit.
Alajärjestelmän laitteen toiminta-asennosta muodostuu anturilla analoginen takaisinkytkentäsignaali, joka lähtee A/D-muuntimen läpi takaisin ECU:lle. Tämä jo edellä kuvattu palautesignaali ohjataan odottavalle säätöprosessille. Vertailu, laskenta ja toiminnan korjaus toistuu kunnes palautesignaalin arvo on nolla. Kun signaalin arvo on nolla, säätö on halutussa tasossa.
Elektronisena laitteena FADEC tarvitsee sähköä toimiakseen, ja moottorin säätimen on toimittava, vaikka koneen muut järjestelmät olisivatkin ilman sähköä. Moottorin käydessä FADEC saa sähkön omasta generaattorista. Moottorin apulaitevaihteisto pyörittää kestomagneeteilla varustettua kolmivaihe-vaihtovirtalaturia (Permanent Magnet Alternator, PMA) , jonka toimintaperiaate on sama kuin monille ehkä tutummassa polkupyörän dynamossa.
Kun konetta käynnistetään, FADECin virransyöttö tulee koneen sähköjärjestelmästä: Kun N2 pyörintänopeus ylittää tietyn arvon, CFM 56:ssa 12%, virransyöttö siirtyy PMA:lle. Koneen muu sähköjärjestelmä toimii PMA:n varasyöttönä ja ulkoista virransyöttöä käytetään myös silloin, kun FADEC:ta testataan moottoreiden ollessa sammuksissa.
Kaikkien toimintojensa hoitamiseksi ECU on liitetty koneen muuhun tietokonejärjestelmään usein suoraan ARINC-väylällä ja lisäksi erillisen väyläkeskittimen kautta. Seuraavassa kaaviossa on esitetty Airbus 320 -koneen FADEC-liittymät. Sen väyläkeskitin on nimeltään EIU (Engine Interface Unit). Jokaisella moottorilla on oma EIU ja se on liitetty vastaavaan ECU:un. Tärkeimmät tiedot ja säätöparametrit (N1, N2, EGT, polttoaineen virtaus) ECU:n ja muiden tietokoneiden välillä kulkevat suoraan. EIU:n kautta välittyvät toisarvoiset, lähinnä tilanäyttöjä koskevat tiedot. EIU toimii useiden on/off-tilasignaalien keskittimenä.
ECU saa tehon laskennassa tarvitsemansa ilmatilaa koskevat tiedot ADIRS- ilmatietolaskentajärjestelmältä. Ohjaamon moottoripaneelien kytkinten ja säädinten asentotiedot tulevat EIU:n kautta. TLA- ja automaattisäädön kytkimen tila tulee suoraan kaasuvivun antureilta. Sähköteho ECU:lle ja sytytysjärjestelmälle tulee EIU:n kautta.
ECU lähettää tietoja seuraaville tietokoneille:
EIU vastaanottaa ARINC-väylätietoja ECU:n molemmilta kanavilta. Se saa koneen ilmastointijärjestelmältä tiedon vuodatusilman tarpeesta. Lisäksi moottorin vikatilastointijärjestelmän tiedot ovat käytettävissä vikojen paikallistamiseen ja testaamiseen EIU:n kautta.
EIU lähettää tietoja
Tulevat
Lähtevät
Seuraavassa on lueteltu yleisimmät ilmaisumenetelmät ja niiden käyttökohteet.
Pulssianturit
Lämpöparianturit
Vastustyyppinen lämpötila-anturi
Kulmamuunnin (Variable Differential Transformer )
On / off -kytkimet
Vääntömomenttimoottorit (Torque Motors)
Solenoidit
On/Off
Tulosignaalit
Lähtösignaalit
Solenoidijärjestelmät
Digitaalisen säätöjärjestelmän käyttöönotto on aiheuttanut ajattelutavan muutoksia myös moottorien huoltotoimintaan. Vikojen analysointi on siirtynyt mekaanisilta elementeiltä mittalähettimille, logiikkapiireille, elektronisille ohjaimille ja laskimille.
Vaikka elektroniset ohjausjärjestelmät ovatkin hyvin luotettavia, vikoja voi aina sattua. Siksi ECU:n molemmilla kanavilla on oma vikojen etsintä-, rajaus- ja korjauslogiikkansa. Hierarkkinen vikasietoisuuslogiikka käsittelee kaikki yhdestä tai useammasta häiriötekijästä johtuvat vikatilanteet.
Jos toiminnasta vastaavan kanavan toimintakyky heikkenee, päävastuu siirtyy toiselle kanavalle. Jos primäärikanavan anturi ei toimi, molemmat käyttävät sekundäärikanavan tietoa. Jos sekundäärikanavankin tieto menetetään, puuttuva tieto korvataan laskennallisella arvolla, joka saadaan käyttämällä olemassa olevia mittaustuloksia ja ohjelmoituja laskentaparametreja. Jos ei ole käytettävissä tarpeeksi tietoja laskennallisen arvon määrittelemiseksi, siirrytään hierarkiassa alemman tason säätölogiikkaan. Esimerkiksi jos EPR-tieto menetetään, moottorin säädön laskennallisena perusteena käytetään N1-tietoa.
Siinä erittäin epätodennäköisessä tilanteessa, että ECU:n molemmat kanavat menevät toimintakyvyttömiksi, järjestelmä siirtyy käsisäätöön. Jos mitkään tehostimet eivät enää toimi, vääntömomenttimoottorit siirtyvät jousipaineella ennalta määrättyyn asentoon siten, että moottorin käsisäätö on mahdollista.
Vikailmaisujen perusajatus on minimoida väärä ja virheellinen tieto, joka saattaisi aiheuttaa vääriä toimintakomentoja. Tiedot tarkastetaan vertaamalla niitä tunnettuihin, tuntopään luonteenomaisiin tietoihin, moottorin muihin parametreihin tai muilta moottorin tuntopäiltä saatuihin tietoihin.
Jos esimerkiksi tuntopään antamia arvoja verrataan tuntopään toiminta-alueen raja-arvoihin ja jos arvot ovat ennalta määrättyjen rajojen ulkopuolella, lukema tulkitaan virheelliseksi ja muodostetaan vikailmaisu.
Samankaltainen vikailmaisutarkastelu on muutosnopeustarkastus, jossa verrataan mitattuja arvoja toimintaolosuhteisiin. Esimerkiksi ulkoinen painekorkeus ei voi muuttua nopeammin kuin koneen lentokorkeus muuttuu. Jos mitattu, staattinen painekorkeuden muutos on annettujen rajojen ulkopuolella katsotaan tuntopää vialliseksi.
Toiminta-arvoja kerätään rinnakkain kahdella anturilla. Kun kaksi toimivaa tuntopäätä mittaa samaa parametriä, niiden antamat lukemat ovat lähellä toisiaan. Lukemien ero riippuu tuntopäiden tarkkuudesta, mitattavan parametrin kaistan leveydestä ja kahden kanavan ajastuksesta. Kummankin rinnakkaisen parametrin toleranssi on ohjelmoitu ohjausyksikön muistiin, jolloin järjestelmän on mahdollista päätellä, onko kyseessä vika. Menetelmä ei välttämättä erottele, kumpi tuntopäistä on vikaantunut. Tämä vikailmaisumenetelmä olettaa, että kaksi tuntopäätä ei vikaannu samalla tavalla ja samanaikaisesti.
Palautetiedon vertailutesti perustuu ohjaimen tietoon toimilaitteen toiminta-asemasta karkeasti vaaditulla moottorin toimintatasolla. Vertailemalla ennakoitua toiminta-asemaa ja mitattua toiminta-asemaa voidaan vika luokitella karkeasti esim. mekaaniseksi tai sähköiseksi.
Lähtösignaalien tarkastuksessa käytetään laitteen sisäistä testausjärjestelmää (Built-in Test Equipment, BITE).
FADEC on ohjelmoitu suorittamaan koko ajan sisäisiä testausrutiineja. BITE-järjestelmä havaitsee viat ja rajaa niiden vaikutuksen ECU:ssa ja sen oheislaitteissa. Vioista tallennetaan järjestelmän muistiin tarkat tiedot. Niiden perusteella huolto pystyy päättelemään vian vakavuuden, eli voidaanko vioittunut komponentti vaihtaa asematasolla vai vaatiiko se koneen siirtämisen korjaamolle.
BITE sisältää virtapiirin virranvoimakkuuden testauksen ja palautesignaalin vertailun. Piirin tarkastus perustuu ohjaimella olevaan tietoon virran voimakkuudesta, joka johdetaan toimilaitteen vääntömomenttimoottorille ja virranvoimakkuuden mittaukseen ohjauspiirissä. Virtapiirin vika kertoo viasta sähköisissä laitteissa, esimerkiksi johtimissa tai vääntömomenttimoottorin käämityksessä.